超低噪声光学频率梳的载波包络偏频稳定测试

超低噪声光学频率梳的载波包络偏频稳定测试

介绍

OCTave Photonics的光频梳偏频锁定模块COSMO提供了一种紧凑的方法来检测激光频率梳的载波包络偏移频率fceo。为了评估锁定fceo的稳定性，我们使用一个COSMO模块来测量Menlo System公司的超低噪声光学频率梳的fceo，并使用反馈环外的第二个COSMO来验证锁相环的保真度。我们发现两个COSMO模块的信号在锁定1秒时优于1x10-17，在1000秒时优于1x10-20。这种高稳定性水平与成熟的f-2f干涉测量技术相当，并且所需的能量更低。

正文

光学频率梳的稳定性对于构建光学原子钟、量子计算机以及量子传感器都至关重要。Menlo System公司致力于开发和制造迄今为止zui稳定的频率梳，实现了破纪录的光学时钟和微波信号合成的稳定性，处于行业的zui前沿。稳定光学频率梳的梳齿结构，就必须检测和锁定脉冲的载波包络偏移频率(fceo)。Menlo System系统的频率梳系统使用传统的f-2f干涉测量进行检测，其利用专有的EOM腔可以在光纤振荡器内稳定fceo，从而实现超低噪声操作。

近期，Octave Photonics 的光频梳偏频锁定模块(COSMO)利用新的整合与封装技术，为检测fceo信号时的光谱展宽和测量提供了另一种紧凑的解决方案。COSMO模块允许用极低的脉冲能量检测fceo，从而实现更低的功耗或者更高的重复频率激光器。与传统的fceo检测方案不同的是，COSMO模块虽然也采用了成熟的f-2f干涉测量技术，但其却使用了新型的纳米光子波导技术来产生超连续谱。虽然这种方法不常见，但任何fceo检测设备都可能会在检测过程中引入过多的噪声，因此，有必要验证这类新的锁定模块是否可以完成fceo的低噪声检测。所以，我们可以使用一个COSMO模块作为反馈回路的一部分来锁定来自Menlo System的超低噪声激光频率梳的fceo。另一个外环COSMO用于验证fceo的稳定性。通过比较两个信号的差异，就可以得知其是否完成低噪声检测。

图1    实验装置

Menlo激光器产生频率为250 MHz的光脉冲串，中心波长约为1550 nm。脉冲首先通过偏振色散补偿光纤，以补偿下游组件的色散，其余的光纤组件均采用保偏光纤，确保即使在环境不稳定的情况下系统也能稳定运行。脉冲随后通过掺铒光纤放大器，然后被50:50的光纤分离器分光，每个COSMO模块接受一半的脉冲光束。在考虑损耗后，每个COSMO器件的输入功率约为45 mW(脉冲能量180 pJ)。这一数值大约比使用传统高度非线性光纤产生超连续介质和f-2f自参考所需的功率低5倍。来自环内COSMO模块的fceo信号与来自RF合成器的30 MHz信号混合。该信号通过锁相环反馈器件向激光器提供反馈。通过计数器分别记录来自内环与外环模块的信号次数，以验证fceo信号的稳定性。

如果两组COSMO模块功能稳定，则两种仪器记录的fceo信号应非常相似。实际上也确实如此，如图2b所示，fceo在内环和外环的记录值几乎相同，在1000秒的时间中可以达到8 × 10-21这一数量级。虽然用户可能期望内环和外环COSMO模块应该提供完全相同的fceo测量值，但因为脉冲必须通过不同的光纤才能到达内环和外环模块，两个模块之间的总光纤长度差约为3米，在较短的时间内，这些测量很可能受到光纤路径长度波动的限制。因此，我们将测量结果之间的微小差异归因于光纤中路径长度的微小变化。

图2    基于COSMO的fceo稳定与验证

通过使用两个独立的COSMO设备，我们对梳齿稳定性进行了测量，验证了COSMO可以以极高的精度检测载波包络偏移的能力。我们发现COSMO使梳齿达到了与使用传统f-2f干涉仪所获得的稳定性相当的水平。因此，COSMO可用于稳定低噪声光频梳的载波包络偏移频率，可以在1000秒内达到10-20这一数量级的精确频率控制，并且其所需的能量更小。

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